1、1,a,工程材料與熱處理,項(xiàng)目一 緒論,材料成型與控制專(zhuān)業(yè),a,2,工程材料與熱處理項(xiàng)目一,任務(wù)一 金屬材料的發(fā)展簡(jiǎn)介,1.1、金屬材料發(fā)展簡(jiǎn)介,材料成型與控制專(zhuān)業(yè),人類(lèi)使用金屬材料的歷史，可以追溯到五千多年以前，青銅、鐵器的出現(xiàn)，曾作為社會(huì)生產(chǎn)力重大發(fā)展和文明歷史輝煌進(jìn)步的標(biāo)志。我國(guó)在四千多年前的夏代已有紅銅的冷鍛和鑄造技術(shù)，殷商時(shí)期已有了高度發(fā)達(dá)的青銅冶鑄技術(shù)。例如：1939年在河南安陽(yáng)出土的殷代巨鼎司母戊大鼎，高133 cm、長(zhǎng)110 cm、寬78 cm，重達(dá)875 kg，造型莊重、花紋精美，是世界罕見(jiàn)的古青銅珍品；春秋末期至秦漢年間，表面有含鉻防銹層的青銅兵器，以及鐵錘、鐵鏟、鐵鋤等農(nóng)

2、具和工具，不僅鑄鍛技藝成熟，而且還經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的熱處理。而同類(lèi)的鐵器，歐洲在一千四五百年后才出現(xiàn)。又如號(hào)稱世界第一大字鐘的北京大鐘寺大銅鐘，直徑3.3 m，高6.75 m，重達(dá)46.5 t，內(nèi)外鑄有230184字經(jīng)文，字跡清晰、排列精巧，悠揚(yáng)的鐘聲可傳至50 km以外。這座明代永樂(lè)年間鑄造的大鐘，無(wú)論從技術(shù)上還是藝術(shù)上，均可稱具有世界文明歷史意義的古鐘,如下圖1-1。,a,3,殷代巨鼎司母戊大鼎，高133 cm、長(zhǎng)110 cm、寬78 cm，重達(dá)875 kg，造型莊重、花紋精美 （公元前1411世紀(jì)）,a,4,號(hào)稱世界第一大字鐘的北京大鐘寺大銅鐘，直徑3.3 m，高6.75 m，重達(dá)46.5 t，

3、內(nèi)外鑄有230184字經(jīng)文，字跡清晰、排列精巧，悠揚(yáng)的鐘聲可傳至50 km以外。這座明代永樂(lè)年間鑄造的大鐘，無(wú)論從技術(shù)上還是藝術(shù)上，均可稱具有世界文明歷史意義的古鐘,a,5,天工開(kāi)物初刊于1637年（明崇禎十年）。是中國(guó)古代一部綜合性的科學(xué)技術(shù)著作，有人也稱它是一部百科全書(shū)式的著作，作者是明朝科學(xué)家宋應(yīng)星。外國(guó)學(xué)者稱它為“中國(guó)17世紀(jì)的工藝百科全書(shū)”。作者在書(shū)中強(qiáng)調(diào)人類(lèi)要和自然相協(xié)調(diào)、人力要與自然力相配合。,1.1、金屬材料發(fā)展簡(jiǎn)介,材料成型與控制專(zhuān)業(yè),春秋末期的著名古籍周禮考工記中“六齊”一文，總結(jié)我國(guó)古代銅錫合金(青銅)的配方、性能和用途，被認(rèn)為是世界上最早的關(guān)于合金理論的記載，具有重大的

4、科學(xué)意義和社會(huì)歷史意義。明代宋應(yīng)星編著的天工開(kāi)物一書(shū)，是世界上最早的金屬工藝科技文獻(xiàn)，書(shū)中記載的冶鐵、煉鋼、鑄造、鍛造、淬火等金屬加工方法，充分反映了我國(guó)在金屬工藝方面的卓越成就。,工程材料與熱處理項(xiàng)目一,a,6,1.1、金屬材料發(fā)展簡(jiǎn)介,a,7,1.2 現(xiàn)代金屬材料簡(jiǎn)介,在現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)，鋼鐵材料一直是社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的主要基礎(chǔ)工程材料。在當(dāng)今新技術(shù)革命廣泛深入開(kāi)展的20世紀(jì)90年代，金屬材料雖然面臨高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料等新型工程材料的挑戰(zhàn)，但是現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)材料仍然是鋼鐵材料。近年來(lái)，高性能的金屬結(jié)構(gòu)材料發(fā)展很快；同時(shí)，金屬功能材料等也有很大發(fā)展，金屬晶須、非

5、晶體金屬、超塑性金屬、記憶合金、防振合金、貯氫合金、超導(dǎo)合金等金屬新材料相繼問(wèn)世，使歷史悠久的金屬材料依然在當(dāng)代材料世界中占有重要地位。 金屬材料及其加工工藝的應(yīng)用和發(fā)展，直接影響著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，直接關(guān)系到社會(huì)生產(chǎn)、生活的方方面面?？梢灾v，任何產(chǎn)品均直接或間接地使用了金屬材料，即使像激光、超導(dǎo)、生物工程、信息技術(shù)和新能源等高新技術(shù)，也離不開(kāi)金屬材料，有些金屬新材料已成為高新技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵。 目前，我國(guó)鋼鐵年產(chǎn)量已名列世界各國(guó)鋼鐵生產(chǎn)前列，達(dá)到年產(chǎn)近億噸，有色金屬的生產(chǎn)和加工技術(shù)也有了大幅度的進(jìn)步。北京奧運(yùn)會(huì)大型體育場(chǎng)館鳥(niǎo)巢的建設(shè)（如圖1-2），是我國(guó)建筑技術(shù)、建筑材料和大跨度金屬結(jié)構(gòu)建筑高水

6、平發(fā)展的標(biāo)志。另外，我國(guó)500 t大鋼錠的鑄造，15000 t水壓機(jī)的生產(chǎn)，510萬(wàn)噸級(jí)油輪的制造，大型加速器運(yùn)行的成功，“一箭多星”的衛(wèi)星成功發(fā)射和核潛艇的問(wèn)世等舉世矚目的成就中，金屬材料及其加工工藝起著重要的作用。,材料成型與控制專(zhuān)業(yè),a,8,我國(guó)研制成功的15000噸水壓機(jī),a,9,北京奧運(yùn)會(huì)大型體育場(chǎng)館鳥(niǎo)巢,a,10,工程材料與熱處理項(xiàng)目一,任務(wù)二 熱處理的發(fā)展簡(jiǎn)介金屬材料的發(fā)展簡(jiǎn)介,材料成型與控制專(zhuān)業(yè),在從石器時(shí)代進(jìn)展到銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代的過(guò)程中，熱處理的作用逐漸為人們所認(rèn)識(shí)，人類(lèi)在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，金屬的性能會(huì)因溫度的影響而發(fā)生改變。 早在公元前3000多年以前，居住在兩河流域的人類(lèi)

7、就開(kāi)始對(duì)隕鐵（鐵鎳合金）這一“天賜”的金屬采用退火工藝，以便制作工具或小件物品，這是迄今考古發(fā)現(xiàn)中人類(lèi)最早的金屬熱處理工藝。 在我國(guó)熱處理工藝的出現(xiàn)可追溯到商周時(shí)期，在商周遺址中共發(fā)現(xiàn)了七件帶明顯退火痕跡隕鐵制品，并在東周戰(zhàn)國(guó)時(shí)期我國(guó)已經(jīng)開(kāi)始采用脫碳退火處理技術(shù)，使白口鐵鐵錛表面的含碳量降低，以減少其脆性，并且已經(jīng)開(kāi)始利用淬火工藝，來(lái)提高塊煉鋼鋼劍的硬度。 到秦漢以后，熱處理技術(shù)得到了很大的發(fā)展，達(dá)到了相當(dāng)高的水平，出現(xiàn)了局部淬火和表面滲碳的熱處理工藝。對(duì)徐州獅子山楚王陵出土的四件鑿刀的分析表明，4件鑿刀都經(jīng)過(guò)局部淬火處理，獲得了刀頭硬、刀體韌的效果。河北滿城出土的西漢佩劍及書(shū)刀，中心為低碳鋼

8、，表面有明顯的高碳層，表明進(jìn)行過(guò)表面滲碳處理。在一些西漢的書(shū)籍中，也有關(guān)于熱處理技術(shù)的敘述，在司馬遷所著史記天官書(shū)中有“水與火合為淬”，東漢班固所著漢書(shū)王褒傳中有“巧冶鑄干將之樸、清水淬其鋒”等有關(guān)熱處理的記載。,a,11,工程材料與熱處理項(xiàng)目一,任務(wù)二 熱處理的發(fā)展簡(jiǎn)介金屬材料的發(fā)展簡(jiǎn)介,材料成型與控制專(zhuān)業(yè),南北朝時(shí)的綦母懷文已經(jīng)開(kāi)始使用雙液淬火工藝，先用動(dòng)物尿、后用動(dòng)物油進(jìn)行雙液淬火，制作出了品質(zhì)很高的“宿鐵刀”“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂，可斬甲過(guò)三十札”。 宋元時(shí)期，中國(guó)古代工匠廣泛采用諸如“團(tuán)鋼”和“灌鋼”的液體滲碳熱處理工藝，將液態(tài)生鐵中的碳滲入熟鐵，改變熟鐵的性能，使其變?yōu)閺?qiáng)韌性

9、都較好的鋼。 明清時(shí)期，有關(guān)熱處理工藝的記載很多。如明代宋應(yīng)星將我國(guó)古代的許多科學(xué)技術(shù)加以總結(jié)整理，在其寫(xiě)成天工開(kāi)物中，有很多熱處理工藝的詳細(xì)敘述。在關(guān)于制銼的論述中，就涉及退火和預(yù)冷淬火熱處理工藝，“凡鐵銼，純鋼為之，未健之時(shí)，鋼性亦軟，以已健鋼鏨劃成縱斜文理，劃時(shí)斜向入，則方成焰。劃后燒紅，退微冷，入水健。久用乖平，入火退去健性，再用鏨劃”。,a,12,工程材料與熱處理項(xiàng)目一,任務(wù)二 熱處理的發(fā)展簡(jiǎn)介金屬材料的發(fā)展簡(jiǎn)介,材料成型與控制專(zhuān)業(yè),明清時(shí)期，有關(guān)熱處理工藝的記載很多。如明代宋應(yīng)星將我國(guó)古代的許多科學(xué)技術(shù)加以總結(jié)整理，在其寫(xiě)成天工開(kāi)物中，有很多熱處理工藝的詳細(xì)敘述。在關(guān)于制銼的論述中

10、，就涉及退火和預(yù)冷淬火熱處理工藝，“凡鐵銼，純鋼為之，未健之時(shí)，鋼性亦軟，以已健鋼鏨劃成縱斜文理，劃時(shí)斜向入，則方成焰。劃后燒紅，退微冷，入水健。久用乖平，入火退去健性，再用鏨劃”。 到了近代，熱處理對(duì)改善金屬材料組織性能的重要作用，愈來(lái)愈為人們所認(rèn)識(shí)，熱處理工藝已從個(gè)人“手藝”的范疇，逐漸提升到理論體系高度。1863年，英國(guó)金相學(xué)家展示了鋼鐵在顯微鏡下的六種不同的金相組織，證明了鋼鐵在加熱和冷卻時(shí)，內(nèi)部會(huì)發(fā)生組織的改變，從而導(dǎo)致鋼鐵性能的改變，高溫狀態(tài)的鋼在迅速冷卻過(guò)程中也會(huì)轉(zhuǎn)變出一種較硬的相。并且由法國(guó)人奧斯蒙德確立的鐵的同素異構(gòu)理論，以及由英國(guó)人奧斯汀最早制定的鐵碳相圖，為現(xiàn)代熱處理工藝

11、奠定了理論基礎(chǔ)。 二十世紀(jì)以來(lái)，隨著材料科學(xué)的發(fā)展和其它新技術(shù)的移植應(yīng)用，使熱處理工藝得到更大發(fā)展。1910年，在工業(yè)生產(chǎn)中開(kāi)始應(yīng)用轉(zhuǎn)筒爐進(jìn)行氣體滲碳。1912年X射線衍射技術(shù)和1932年電子顯微鏡的問(wèn)世，30年代后出現(xiàn)的爐內(nèi)氣氛探測(cè)裝置，如二氧化碳紅外儀、氧探頭等，都對(duì)熱處理工藝的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用。進(jìn)入60年代，熱處理工藝開(kāi)始運(yùn)用等離子場(chǎng)的作用，發(fā)展出了離子滲氮工藝，同時(shí)，激光、電子束技術(shù)也開(kāi)始應(yīng)用于表面熱處理工藝中，形成了新的表面熱處理和化學(xué)熱處理方法。,a,13,工程材料與熱處理項(xiàng)目一,任務(wù)三 非金屬材料與復(fù)合材料的發(fā)展簡(jiǎn)介,非金屬材料可分為有機(jī)非金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料。其中有

12、機(jī)非金屬材料即為通常所指的高分子材料，如橡膠、塑料等；無(wú)機(jī)非金屬材料是指陶瓷、玻璃、水泥等材料。,材料成型與控制專(zhuān)業(yè),1.1 無(wú)機(jī)非金屬材料發(fā)展簡(jiǎn)介 1.1.1 陶瓷材料發(fā)展簡(jiǎn)介 舊石器時(shí)代人們用來(lái)制作工具的天然石材是最早的無(wú)機(jī)非金屬材料。在公元前6000前5000年中國(guó)發(fā)明了原始陶器。中國(guó)商代（約公元前17世紀(jì)初約前11世紀(jì)）有了原始瓷器，并出現(xiàn)了上釉陶器。以后為了滿足宮廷觀賞及民間日用、建筑的需要，陶瓷的生產(chǎn)技術(shù)不斷發(fā)展。公元 200年（東漢時(shí)期）的青瓷是迄今發(fā)現(xiàn)的最早瓷器。陶器的出現(xiàn)促進(jìn)了人類(lèi)進(jìn)入金屬時(shí)代，中國(guó)夏代（約公元前22世紀(jì)末至約前21世紀(jì)初約前17世紀(jì)初）,a,14,前21世紀(jì)

13、初約前17世紀(jì)初）煉銅用的陶質(zhì)煉鍋，是最早的耐火材料。鐵的熔煉溫度遠(yuǎn)高于銅，故鐵器時(shí)代的耐火材料相應(yīng)地也有很大發(fā)展。18世紀(jì)以后鋼鐵工業(yè)的興起，促進(jìn)耐火材料向多品種、耐高溫、耐腐蝕方向發(fā)展。公元前3700年，埃及就開(kāi)始有簡(jiǎn)單的玻璃珠作裝飾品。公元前1000年前，中國(guó)也有了白色穿孔的玻璃珠。公元初期羅馬已能生產(chǎn)多種形狀的玻璃制品。10001200年間玻璃制造技術(shù)趨于成熟，意大利的威尼斯成為玻璃工業(yè)中心。1600年后玻璃工業(yè)已遍及世界各地區(qū)。公元前3000前2000年已使用石灰和石膏等氣硬性膠凝材料。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，膠凝材料也獲得相應(yīng)的發(fā)展。公元初期有了水硬性石灰，火山灰膠凝材料，1700年以后

14、制成水硬性石灰和羅馬水泥。1824年英國(guó)J.阿斯普丁發(fā)明波特蘭水泥（見(jiàn)水泥）。上述陶瓷、耐火材料、玻璃、水泥等的主要成分均為硅酸鹽，屬于典型的硅酸鹽材料。 18世紀(jì)工業(yè)革命以后，隨著建筑、機(jī)械、鋼鐵、運(yùn)輸?shù)裙I(yè)的興起，無(wú)機(jī)非金屬材料有了較快的發(fā)展，出現(xiàn)了電瓷、化工陶瓷、金屬陶瓷、平板玻璃、化學(xué)儀器玻璃、光學(xué)玻璃、平爐和轉(zhuǎn)爐用的耐火材料以及快硬早強(qiáng)等性能優(yōu)異的水泥。同時(shí)，發(fā)展了研磨材料、碳素及石墨制品、鑄石等。 陶瓷的硬度在各類(lèi)材料中最高，作為超硬耐磨損材料，性能特別優(yōu)良。由于陶瓷中存在大量相當(dāng)于裂紋源的氣孔，在拉應(yīng)力的作用下，會(huì)迅速擴(kuò)展而導(dǎo)致脆斷。拉強(qiáng)度低、但具有較高的抗壓強(qiáng)度。 陶瓷是人類(lèi)應(yīng)

15、用最早的材料之一。傳統(tǒng)上的“陶瓷”是陶器和瓷器的總稱，后來(lái)發(fā)展到泛指整個(gè)硅酸鹽(玻璃、水泥、耐火材料和陶瓷)和氧化物類(lèi)陶瓷。現(xiàn)代“陶瓷”被看作除金屬材料和有機(jī)高分子材料以外的所有固體材料，所以陶瓷亦稱無(wú)機(jī)非金屬材料。所謂陶瓷，是指一種用天然硅酸鹽(黏土、長(zhǎng)石、石英等)或人工合成化合物(氮化物、氧化物、碳化物、硅化物、硼化物、氟化物)為原料，經(jīng)粉碎、配制、成型和高溫?zé)贫傻臒o(wú)機(jī)非金屬材料。由于它的一系列性能優(yōu)點(diǎn)，不僅用于制作像餐具之類(lèi)的生活用品，而且在現(xiàn)代工業(yè)中已取得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。有些情況下，其他材料無(wú)法滿足性能要求時(shí)，陶瓷成為目前唯一能選用的材料。例如，內(nèi)燃機(jī)火花塞，用陶瓷制作可承受的瞬

16、間引爆溫度達(dá)2500，并可滿足高絕緣性及耐腐蝕性的要求。一些現(xiàn)代陶瓷已成為國(guó)防、宇航等高科技領(lǐng)域中不可缺少的高溫結(jié)構(gòu)材料及功能材料。陶瓷材料、金屬材料及高分子材料被稱為三大固體材料。 20世紀(jì)以來(lái)，隨著電子技術(shù)、航天、能源、計(jì)算機(jī)、通信、激光、紅外、光電子學(xué)、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境保護(hù)等新技術(shù)的興起，對(duì)材料提出了更高的要求，促進(jìn)了特種無(wú)機(jī)非金屬材料的迅速發(fā)展。3040年代出現(xiàn)了高頻絕緣陶瓷、鐵電陶瓷和壓電陶瓷、鐵氧體（又稱磁性瓷）和熱敏電阻陶瓷（見(jiàn)半導(dǎo)體陶瓷）等。5060年代開(kāi)發(fā)了碳化硅和氮化硅等高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、氧化鋁透明陶瓷、氧化鋁快離子導(dǎo)體陶瓷、氣敏和濕敏陶瓷等。至今，又出現(xiàn)了變色玻璃、光導(dǎo)纖維、電

17、光效應(yīng)、電子發(fā)射及高溫超導(dǎo)等各種新型無(wú)機(jī)材料。,材料成型與控制專(zhuān)業(yè),a,15,1.1.2 水泥材料發(fā)展簡(jiǎn)介 在19世紀(jì)初期(18101825年)，人們用人工配合的石灰石和黏土為原料，再經(jīng)煅燒、磨細(xì)以制造水硬性膠凝材料的方法，已經(jīng)開(kāi)始組織生產(chǎn)。1824年，英國(guó)人阿斯普丁(JAspdin)將石灰石和黏土配合燒制成塊，再經(jīng)磨細(xì)成水硬性膠凝材料，加水拌和后能硬化制成人工石塊，且具有較高強(qiáng)度，因?yàn)檫@種膠凝材料的外觀顏色與當(dāng)時(shí)建筑工程上常用的英國(guó)波特蘭島上出產(chǎn)的巖石的顏色相似，故稱之為波特蘭水泥(Portland Cement，中國(guó)稱為硅酸鹽水泥)。英國(guó)人阿斯普丁(J.Aspdin)于1824年10月首先

18、取得了該項(xiàng)產(chǎn)品的專(zhuān)利權(quán)。例如，18251843年修建的泰晤士河隧道工程就大量使用波特蘭水泥。 隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，到20世紀(jì)初，僅僅有硅酸鹽水泥、石灰、石膏等幾種膠凝材料已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足重要工程建設(shè)的需要。生產(chǎn)和發(fā)展多品種多用途的水泥是市場(chǎng)的客觀需求，如鋁酸鹽水泥、快硬水泥、抗硫酸鹽水泥、低熱水泥以及油井水泥等。后來(lái)，又陸續(xù)出現(xiàn)了硫鋁酸鹽水泥、氟鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥等特種水泥品種，從而使水硬性膠凝材料發(fā)展成更多類(lèi)別。多品種多用途水泥的大規(guī)模生產(chǎn)，形成了現(xiàn)代水泥工業(yè)。,材料成型與控制專(zhuān)業(yè),1.1 無(wú)機(jī)非金屬材料發(fā)展簡(jiǎn)介,a,16,1.1 無(wú)機(jī)非金屬材料發(fā)展簡(jiǎn)介,1. 1.3 有機(jī)非金屬材料發(fā)展簡(jiǎn)介,有機(jī)非金屬材料及高分子材料，以高分子化合物為基礎(chǔ)的材料。高分子材料是由相對(duì)分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料，包括橡膠、塑料、纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復(fù)合材料，高分子是生命存在的形式。所有的生命體都可以看作是高分子的集合，天然高分子是生命起源和進(jìn)化的基礎(chǔ)。人類(lèi)社會(huì)一開(kāi)始就利用天然高分子材料作為生活資料和生產(chǎn)資料，并掌握了其加工技術(shù)。如利用蠶絲、棉、毛織成織物，用木材、棉、麻造紙等。 高分子材料按來(lái)源分為天然、半合成（改性天然高分子材料）和合成高分子材料。天然高分子是生命起源和進(jìn)化的基礎(chǔ)。人類(lèi)社會(huì)一開(kāi)始